碳排放實測平臺的研究應用

華能（浙江）能源開發有限公司長興分公司 董勇衛 徐建剛 阮國榮 王偉杰 雍 駿 柏元華

1997年12月11日，《聯合國氣候變化框架公約》第三次締約方大會促生了公約的第一個附加協議《京都議定書》的誕生，這是人類歷史上首次以法規的形式限制溫室氣體排放。京都議定書規定的附件一所列締約國可通過交易轉讓或境外項目合作方式獲得溫室氣體排放額度。這樣就能在保證全球環境完整性的同時，降低溫室氣體減排活動對經濟的負面影響，實現全球減排成本效益最優。

習近平主席在第七十五屆聯合國大會提出“中國將提高國家自主貢獻力度，采取更加有力的政策和措施，二氧化碳排放力爭于2030年前達到峰值，努力爭取2060年前實現碳中和”。2021年10月24日，國務院印發了《2030年前碳達峰行動方案》，要求加強碳排放核算方法的研究和碳排放統計核算體系的建設，推進碳排放實測技術發展，加快新技術在碳排放實測技術領域的應用，鼓勵和支持行業、企業依據生產工藝特點開展CO2在線測量技術的工程應用研究，建立準確可信的碳實時監測系統和核算體系。

1 碳排放量的核算及應用研究

碳排放量的核算是有效開展各項碳減排工作，實現“碳達峰”、“碳中和”的基本前提，也是構建碳交易市場不可缺少的一個組成部分，目前碳排放量的核算方法有兩種：碳計量。與IPCC（政府間氣候變化專門委員會）的物料均衡法類似，將企業的生產活動劃分為若干流程。在給定的參數下按照不同的方法計算每個流程中的碳排放量，并加總得到企業的碳排放總量；碳檢測（或碳監測）。是指利用CEMS（連續排放監測系統）對企業的碳排放量進行監測。

全國碳排放權交易市場的發電行業重點排放單位（含自備電廠）使用燃煤、燃油、燃氣等化石燃料及摻燒化石燃料的純凝發電機組和熱電聯產機組等發電設施，按照《企業溫室氣體排放核算方法與報告指南 發電設施》的計算公式來進行溫室氣體排放核算。燃燒排放量是統計期內企業發電設施各種化石燃料燃燒產生的CO2排放量的總和：E燃燒=AD×EF。

燃料活動數據是統計期內燃料的消耗量與其低位發熱量的乘積：AD=FC×NCV，式中：AD為燃料的活動數據、吉焦（GJ），FC為燃料的耗量，對固體或液體燃料、噸（t），NCV為燃料的低位發熱量，對固體或液體燃料、吉焦/噸（GJ/t）；燃料燃燒CO2排放因子EF=CC×OF×（44/12），式中：EF為燃料的CO2排放因子、噸CO2/吉（tCO2/GJ），CC為燃料的單位熱值含碳量、噸碳/吉焦（tC/GJ），OF為燃料的碳氧化率、以%表示，（44/12）為CO2與碳的相對分子質量之比；燃煤的單位熱值含碳量CC=C/NCV，式中：CC為燃煤的單位熱值含碳量、噸碳/吉焦（tC/GJ），NCV為燃煤的收到基低位發熱量、吉焦/噸（GJ/t），C為燃煤的元素碳含量、以tC/t表示。

燃煤發電廠統計期內碳排放量的計算需收集燃料的消耗量、低位發熱量、單位熱值含碳量等數據，低位發熱量、單位熱值含碳量等數據目前還大多有賴于人工分析，以日為時間單位。而在碳排放量的實際計算時一般以年、月為時間單位，否則數據量過于龐大。相比于碳計量階段式的計算方法，碳檢測對企業碳排放量的統計更加具有連續性、更加準確。監測系統可將企業的排放數據上傳至云端，易于監管部門進行監測和管理。

碳計量仍是目前中國碳排放核算的主要方法。歐盟采用碳計量和碳檢測并行的方法，美國優先采用碳檢測的方法。從國內碳核算、碳交易市場的發展來看，行業差異、工藝流程差異會使得政府監管部門的管理難度加大，技術更新及管理要求的提高使監管標準也會不斷更迭，中國未來可能將碳檢測納入作為碳排放量核算的標準方法。在此背景下，華能（浙江）能源開發有限公司長興分公司開展了火電廠碳實測的應用研究。

現有的燃煤電廠都建有煙氣在線監測系統（CEMS），實時測量煙氣中SO2、NOX、顆粒物等污染物的實時濃度，數據傳輸至機組控制系統（DCS)用于機組環保排放參數的實時控制，同時數據通過環保專網傳輸至政府環保監管部門對企業污染物排放進行監控。在此基礎上，每臺機組總排口建設安裝一套CO2實時測量系統，用以測定煙氣中CO2排放濃度，同時采集煙氣溫、壓、流、濕度、氧量等參數，通過數據采集子系統上傳到碳排放監測平臺，自動計算CO2和碳排放量，可顯示和打印各種參數圖表。碳排放監測平臺根據政府部門、企業及人員管理授權，依據賬號登陸，實時監測碳排放的相關數據和報表。

圖1 監測系統示意圖

2 CO2測量系統

2.1 CO2的測量方法的選擇

目前CO2的測量方法有很多種，主要有氣相色譜法、滴定法、固體電解質式、紅外吸收法等。本項目中采用基于非分散紅外吸收檢測原理及檢測方法。紅外吸收法利用紅外線作為測量介質的CO2測量系統，利用CO2吸收波長4.26μm紅外線的物理特征來有選擇地測量氣體中CO2的分壓，吸收關系服從Lamber.Beer定律。紅外吸收氣體分析儀一般由紅外線輻射光源、檢測氣室、濾光片、紅外測量裝置等組成，當紅外線輻射透過進入檢測氣室的被測氣體后，氣體中的CO2會吸收波長4.26μm紅外線，造成紅外線輻射光源發生能量的衰減，未被吸收的輻射光源被檢測探頭測出，通過測量該譜線能量的衰減量來得知被測氣體濃度。

2.2 CO2檢測系統

CO2檢測系統由采樣探頭、伴熱管線、氣體樣品預處理系統、氣體分析儀等組成。

采樣探頭。包含探頭、探桿和吹掃裝置，由探頭管、前級過濾器單元、儲氣罐、電磁閥、電加熱等組成。裝置安裝于煙囪68米處。取得有代表性的樣品、完成前級粉塵凈化，并可對取樣部分進行周期性的吹掃，由PLC控制；伴熱管線。采用電加熱管纜，采用雙管配置，用于采樣和全系統校準。溫度保持120℃左右，保證將樣品氣安全可靠的由采樣點傳輸至分析柜。

樣品預處理系統。由冷凝器、抽氣泵、流量調節、標定氣路等組成，對樣品氣進行進一步的處理（除水、抽氣、樣品氣調節等），最后將樣品送至分析儀進行分析；氣體分析儀。整個CO2監測系統的核心部件，分析儀基于非分散紅外吸收原理，采用雙光室設計，精準分析樣氣中CO2濃度。分析儀與預處理結合，能實現定時自動零點和跨度校準，以及全系統校準。

每個光路均采用測量氣室和參比氣室的雙氣室設計，大大提高了分析儀的穩定性。雙氣室結構可消除光源波動、光學和電子元器件變化引起的測量噪聲，抗干擾能力強，穩定性更高，同時增加了檢測靈敏度、提高了檢測下限。分析模塊配置壓力補償模塊和氣室恒溫模塊，從而極大地降低了溫度和壓力對測量的影響。在分析儀表中配備了校準池模塊，校準池模塊中密封著標準氣體（CO2），位于檢測器前方，由馬達來驅動，可定期自動對儀器進行跨度校準，確保分析儀表在測量過程中的準確和穩定。取代了傳統的鋼氣瓶，同時可避免手工校準可能引起的系統誤差。

3 碳排放監測平臺

3.1 相關系統

數據采集系統。由PLC、CO2排放連續監測系統應用軟件、嵌入式計算機等組成。數據采集、處理系統是監測系統中的重要部分，主要通過PLC將煙氣數據進行采集處理，然后通過5G網絡傳輸至監測平臺嵌入式計算機進行計算和排放量的換算。完成顯示和記錄系統中測量出的CO2濃度、煙氣溫度、煙氣流速、含氧量等參數，并計算出CO2濃度、排放量等數據，存放到歷史數據庫中，具備打印報表等功能。

煙氣排放參數測量系統。在此項目中利用共享原環保在線監測系統數據方式，在做好網絡安全防護措施的前提下，從原煙氣在線監測系統單向采集機組煙氣溫度、壓力、流速、含濕量、氧量等參數；數據計算和統計系統。由于目前還沒有CO2測量計算及統計的行業、國家標準，針對各測量系統上傳到計算機的測量數據，參照HJ76-2017《固定污染源煙氣排放連續監測系統技術要求及檢測方法》中的計算公式完成各種計算和統計，并將全部的數據存到數據庫中，為以后的查詢和報表提供了保障。

3.2 監測平臺功能

平臺將傳到計算機的測量數據，完成各種計算和累加，并將全部的數據存到數據庫中。平臺有多個安全級別，不同級別的部門、人員只能依據授權進行相應級別的操作。內有模擬信號表、數字信號表、參數表、曲線和歷史曲線等界面,完善的人機操作界面為數據的查詢和報表提供了保障，使用戶能得到最新和最全面的數據。

曲線圖形。將數據采集儀上的數據通過曲線圖的方式顯示出來，可查詢當前站點測項數據的趨勢，也可對多個測項的數據進行對比查看，可打印和導出曲線圖形；數據查詢、瀏覽與報表。查詢選擇時段的所有數據，包括實時數據、分鐘數據、10分鐘數據、小時數據、天數據，計算當前查詢數據的最大值、最小值、平均值，形成日、周、月、季等報表。

綜上，依托華能（浙江）能源開發有限公司長興分公司CO2實時測量系統的碳排放監測平臺建設，作為浙江省內首臺套新設備的試點研究應用，與原有的環保污染源在線監測系統高度整合，CO2單獨測量，避免在同一CEMS內測量多種污染物出現的相互影響。將數據共享和5G通訊等技術應用于CO2排放實測技術領域的工程實踐，減少了項目投入、降低施工難度。解決了CO2測量成套、數據采集傳輸和碳監測平臺的接入，實現了用實時測量和自動統計的方法替代傳統的人工計算的碳核算方法。